Projet ANR-19-CE45-0016

DNA-PolyChrom

 Dynamical Nucleus Architecture - a Polymer physics based approach to Chromosome dynamics imaging

Programme AAPG 2019

Summary of the project 🇬🇧

Chromatin, the plastic DNA-protein assembly that fills the nucleus, is organized in multi-scale compartments. By quantifying the number of interactions between genomic loci that are nearby in 3D space, HiC technology has revealed that one important level of organization is, at the 10 kb to Mb scale, the ​Topologically Associating Domain (TAD), supposed to make different genome segments occupy separate regions such that their individual activities are non-interfering. 3D fluorescent in situ hybridization and super-resolution microscopy have indeed revealed more or less separated compartments and characterized their spatial organization by measuring their spatial variance (or gyration radius). The scaling laws describing how gyration radii increase with the genomic length of the domains in Drosophila show a clear difference for the three different activity states: active (transcribing), inactive (non-transcribing) or repressed (actively silenced transcription).

Functional chromatin domains can also be defined based on the presence of biochemical markers called epigenetic marks. Epigenetic coloring is specific to different gene activity states: in Drosophila, TADs, activity domains and epigenetic domains practically coincide, with three epigenetic colors (“red”, “black” and “blue”) corresponding to the three aforementioned activity states, respectively. Epigenetics is responsible for the temporal and spatial control of gene activity during cell differentiation, and we suggest that the 3D arrangement may be the mechanistic way how epigenetics controls gene activity.

Dynamical features can also be investigated. In vivo tracking of chromosome fluctuations allows to quantify single loci diffusion and reveals multiple dynamical, low-frequency interactions. Partner 3 experimentally showed that sustained physical proximity between enhancer and promoter is necessary for productive transcription to occur, with a longer and closer pairing in transcribing regions. However, no clear results have been obtained allowing to connect loci diffusion, inter-loci distance fluctuations or inter-loci contact frequencies with the underlying folding state of chromatin. Our project aims at filling this gap. It will provide a novel perspective on epigenetically driven regulation of genetic networks. We will thus provide a theory that describes domains in terms of a physical state, that, if close to criticality, would explain the origin of phase transitions in the nuclear environment.

More precisely, we will address the question whether sustained enhancer-promoter proximity is the signature of an optimized dynamics where either the rapidity, encounter frequency, or selectivity of any generic inter-loci encounter is maximized. How do these dynamical features depend on the 3D organization of active, inactive, repressed domains? ​To answer, we will identify a set of epigenetic domains and study the distribution and temporal fluctuations of single and inter-loci distances in living Drosophila by multi-color imaging. Additional information on the folding state of an epigenetic domain will be obtained by a new approach based on the spectral analysis of 3-loci measurements. .

Linking epigenetics, domain folding and dynamics will require the development of efficient data analysis methods and of a coherent theoretical model. Partners 1 and 2 have already laid out a foundation for such a model by developing (i) a scheme to describe single loci diffusion in the framework of polymer dynamics, that brought the concept of Rouse with transient internal contacts, and (ii) a new methodology to extract the best information from super-resolution data, showing that the measured gyration radii distributions are compatible with the behavior of a self-attracting polymer, close to the coil-globule crossover. This points towards a crucial role of criticality to enhance the system responsivity, with possible interesting consequences on dynamics that will be explored in this project.  

 Résumé du projet   🇫🇷

La chromatine, assemblage ADN-protéine qui remplit le noyau, est organisée en compartiments multi-échelles. En quantifiant le nombre d'interactions entre loci génomiques, la technologie HiC a révélé qu'un niveau d'organisation important est, à l'échelle 10 kb - 1 Mb, le Topologically Associating Domain (TAD), dont le rôle semble être d’isoler, en 3D, différents segments du génome, de sorte que leurs activités individuelles n’interfèrent pas. Les techniques de fluorescent in situ hybridization et microscopie super-résolue ont en effet révélé des compartiments plus ou moins séparés et décrit leur organisation en mesurant leur variance spatiale (ou rayon de gyration). Dans la Drosophile, les lois d'échelle décrivant comment les rayons de giration augmentent avec la longueur génomique des domaines montrent une nette différence pour les trois différents états d'activité : actif (en transcription), inactif ou réprimé.

Les domaines fonctionnels de la chromatine peuvent également être définis en fonction de la présence de marqueurs biochimiques appelés marques épigénétiques. La coloration épigénétique est spécifique des différents états d'activité des gènes : chez la drosophile, les TAD, les domaines d'activité et les domaines épigénétiques coïncident, avec trois couleurs épigénétiques ("rouge", "noir" et "bleu") correspondant respectivement aux trois états d'activité mentionnés ci-dessus. L'épigénétique est responsable du contrôle temporel et spatial de l'activité des gènes pendant la différenciation cellulaire, et nous suggérons que l'arrangement 3D pourrait être le moyen mécanistique par lequel l'épigénétique contrôle l'activité des gènes.

Les aspects dynamiques peuvent également être étudiés. Le tracking in vivo permet de quantifier la diffusion de loci chromosomiques uniques et révèle de multiples interactions dynamiques. Notre Partner 3 a montré expérimentalement qu'une proximité physique prolongée entre enhancer et promoter est nécessaire à la transcription, avec un contact plus rapproché. Cependant, aucun résultat clair n'a été obtenu permettant de relier ni la diffusion de loci uniques, ni les distances ou les fréquences de contact inter-loci avec l'état d’organisation sous-jacent de la chromatine. Notre projet vise à combler cette lacune. Nous fournirons une théorie qui décrit les domaines en termes de polymères dont l’état physique, proche de la criticité, peut expliquer l'origine des transitions de phase dans l'environnement nucléaire.

Nous aborderons la question de savoir si la proximité entre enhancer et promoter observée est la signature d'une dynamique optimisée où la rapidité, la fréquence des rencontres ou la sélectivité de toute rencontre inter-loci est maximisée. Comment ces caractéristiques dynamiques dépendent-elles de l'organisation 3D des domaines actifs, inactifs, réprimés ? Pour y répondre, nous identifierons un ensemble de domaines épigénétiques et étudierons in vivo la distribution et les fluctuations des distances entre loci chez la Drosophile par imagerie multi-color. Additional information on the folding state of an epigenetic domain will be obtained by a new approach based on the spectral analysis of 3-loci measurements.

Lier l'épigénétique, le repliement des domaines et la dynamique nécessitera l'élaboration de méthodes d’analyse des données performantes et d'un modèle théorique cohérent. Les partenaires 1 et 2 ont déjà jeté les bases d'un tel modèle en développant (i) la description de la diffusion de loci uniques dans le cadre de la dynamique des polymères, introduisant le concept de Rouse with transient internal contacts, et (ii) une nouvelle méthodologie pour maximiser l’information tirée des données de super-résolution, montrant que les ces dernières sont compatibles avec le comportement d'un self-attracting polymer proche de la transition coil-globule. Cela met en évidence le rôle crucial de la criticité pour améliorer la susceptibilité du système, avec potentiellement des conséquences intéressantes sur la dynamique qui seront explorées dans le cadre de ce projet.